离子注入金刚石薄膜的微结构与光电性能研究

摘要

对金刚石发光性能的研究是制备单光子发射器的基础。本文采用热丝化学气相沉积法(HFCVD)制备微晶或纳米晶金刚石薄膜，并注入不同剂量的离子（氧离子、硅离子或硅氧离子）。系统研究了离子注入剂量和退火温度对薄膜微结构和光电性能的影响，对于实现金刚石在量子领域和电子工业中的应用具有重要的科学意义和实际价值。
　　在含有Si-V发光中心的微晶金刚石薄膜中注入不同剂量的氧离子，并在不同温度下退火，系统研究了氧离子注入剂量和退火温度对薄膜的微结构和光电性能的影响。结果表明，氧离子注入并在较高温度退火有利于提高薄膜中Si-V中心的发光强度。当氧离子注入剂量从1014 cm-2增加到1015 cm-2时，薄膜中Si-V发光强度增强。Hall效应测试结果表明退火后薄膜的面电阻率降低。不同温度退火时，氧离子注入薄膜的Si-V发光强度较强时，薄膜的面电阻率增加，说明Si-V发光中心不利于提高薄膜的导电性能。Raman光谱测试结果表明，薄膜中缺陷数量的增多会增强Si-V的发光强度，降低薄膜的导电性能。
　　在纳米金刚石薄膜中注入不同剂量的硅离子，并在不同温度下退火，系统研究了硅离子注入剂量和退火温度对薄膜的微结构和光电性能的影响。结果表明，金刚石薄膜晶粒是由尺寸小于100 nm的晶粒组成，薄膜致密且均匀。离子注入会导致薄膜内的应力变化。高温退火导致石墨相有序化程度增加，形成了更多有序的石墨相团簇。在PL谱中没有观察到位于738 nm的Si-V发光峰。霍尔效应测试结果表明硅离子注入退火样品呈现良好的n型电导。薄膜的迁移率在57.5-295cm2V-1s-1范围，载流子浓度的数量级在1012 cm-2范围。适当提高退火温度有利于提高薄膜的电学性能。
　　在纳米金刚石薄膜中共注入硅氧离子，并在不同温度下退火，系统研究了硅氧离子注入剂量比和退火温度对薄膜的微结构和光电性能的影响。结果表明，高温退火在一定程度上可以修复离子注入引起的晶格损伤。PL谱的研究结果表明在硅氧离子共注入纳米金刚石薄膜中没有观察到位于738 nm的Si-V发光峰。霍尔效应测试结果表明硅氧离子共注入退火样品呈n型电导。薄膜的迁移率在3.11-3.98 cm2V-1s-1范围，载流子浓度的数量级在1013 cm-2范围。硅氧离子共注入样品中适当提高氧离子注入剂量有利于提高薄膜的电学性能。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 金刚石结构与性质的概述

1．2．1 金刚石的结构

1．2．2 金刚石的性质

1．3 金刚石薄膜的制备

1．3．1 金刚石薄膜生长的基本条件

1．3．2 纳米金刚石薄膜的制备方法

1．4 纳米金刚石薄膜(NCD)的研究进展

1．4．1 微晶金刚石薄膜与纳米金刚石薄膜的区别

1．4．2 纳米金刚石薄膜的性能与应用

1．5 金刚石薄膜的掺杂

1．6 金刚石薄膜的表征方法

1．6．1 扫描电子显微镜(SEM)

1．6．2．原子力显微镜(AFM)

1．6．3 拉曼光谱(Raman)

1．6．4 X射线衍射仪(XRD)

1．6．5 高分辨率透射电镜(HRTEM)

1．7 问题的提出与本文研究内容

第二章 氧离子注入微晶金刚石薄膜微结构与光电性能研究

2．1 引言

2．2 实验

2．2．1 CVD金刚石实验装置及衬底预处理

2．2．2 微晶金刚石薄膜的制备

2．2．3 退火及离子注入方案

2．3 氧离子注入微晶金刚石薄膜的表征

2．3．1 扫描电子显微镜(SEM)测试

2．3．2 原子力显微镜(AFM)测试

2．3．3 X射线衍射(XRD)测试

2．4 金刚石薄膜的光电性能表征

2．4．1 Hall效应测试

2．4．2 变温两探针法电阻测试

2．4．3 金刚石薄膜中Si-V发光性能的研究

2．5 金刚石薄膜Raman光谱测试

2．5 本章小结

第三章 硅离子注入纳米金刚石薄膜微结构与光电性能研究

3．1 引言

3．2 实验

3．2．1 纳米金刚石薄膜的制备

3．2．2 离子注入及退火方案

3．3 硅离子注入纳米金刚石薄膜的表征

3．3．1 硅离子注入纳米金刚石薄膜微结构表征

3．3．2 光致发光(PL)测试

3．3．3 Hall效应测试

3．3．4 变温两探针法电阻测试

3．4 本章小结

第四章 硅氧离子共注入纳米金刚石薄膜微结构与光电性能研究

4．1 引言

4．2 实验

4．2．1 纳米金刚石薄膜的制备

4．2．2 离子注入及退火方案

4．3 硅氧离子共注纳米金刚石薄膜表征

4．3．1 硅氧离子共注纳米金刚石薄膜微结构表征

4．3．2 光致发光(PL)测试

4．3．3 Hall效应测试

4．3．4 变温两探针法电阻测试

4．4 本章小结

第五章 结论

参考文献

本文创新点

致谢

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